[發明專利]一種具有人機交互動力學模型的外骨骼式上肢康復機器人

有效

• 申請號: 201510895139.1
• 申請日: 2015-12-08
• 公開（公告）號: CN105437209B
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 李醒;王曉峰;王建輝;丁進良
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;A61H1/02
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 樊南星

一種具有人機交互動力學模型的外骨骼式上肢康復機器人，在康復訓練中將人體上肢看作具有三個自由度的二連桿機構并將其動力學模型與外骨骼式上肢康復機器人動力學模型相結合，形成具有人機交互動力學模型的外骨骼式上肢康復機器人，該機器人可根據關節力矩估計值與實測力矩值的比較判斷患者的運動意圖。本發明所述外骨骼式上肢康復機器人在工程應用中能準確識別出患者上肢的運動意圖，數據穩定可靠，辨識與判斷的結果準確，其具有可預期的較為巨大的經濟價值和社會價值。

技術領域

本發明涉及上肢康復機器人的運動控制和延伸應用技術領域，特別提供了一種具有人機交互動力學模型的外骨骼式上肢康復機器人。

背景技術

腦卒中是老年人發病率較高的疾病之一，其導致的肢體運動功能障礙嚴重影響了老年人的健康生活。傳統的治療方法需要專業康復醫師一對一地進行物理治療，其治療效率有限，極大浪費治療資源，對患者的家庭和社會也是不小的經濟負擔。適當的康復運動訓練可以促進腦卒中患者發病后肢體活動功能的恢復。機器人參與輔助上肢康復運動訓練更具有針對性，持續時間也更長，可重復性更高。許多研究表明，機器人輔助的康復訓練比傳統方法的療效顯著（參見文獻1：Kwakkel G,Kollen BJ,Krebs HI. Effects of Robot-assisted Therapy on Upper Limb Recovery After Stroke: a Systematic Review[J].Neurorehabilitation and Neural Repair, 2007, 22(2): 111-121；同時參見文獻2：Fazekas G,Horvath M,Troznai T, et al. Robot-mediated Upper Limb Physiotherapyfor Patients with Spastic Hemiparesis: a Preliminary Study[J]. Journal ofRehabilitation Medicine, 2007, 39(7): 580-582.）。（譯文：參考文獻1：Kwakkel G,Kollen BJ,Krebs HI.腦卒中后機器人輔助上肢治療康復效果綜述[J].神經康復與神經修復，2007, 22(2): 111-121；參考文獻2：Fazekas G,Horvath M,Troznai T, et al.上肢痙攣偏癱輔理療康復機器人的研究.康復器械[J] , 2007, 39(7): 580-582.），現在很多機構都在研究上肢康復機器人用于輔助康復醫師進行上肢康復訓練，從而將康復醫師從繁重的體力勞動中解脫出來，提高康復效率，減輕患者經濟負擔。申請號為2014101552790、2014101591028、2014201927316、2014201927354的專利申請文件中提及一種外骨骼式上肢康復訓練系統（如圖1所示），它是輔助康復醫師完成康復訓練的一種醫療設備，可以實現從大關節到小關節的大范圍單關節運動及多關節復合運動，真實再現患者的日常生活動作訓練。它由兩部分組成：一臺帶有顯示器的PC機和一組上肢可穿戴外骨骼式機械設備。外骨骼式機械設備具有五個自由度，分別是：肩部外展/內收，肩部俯/仰，肘部俯/仰，腕部外展/內收，腕部俯/仰。基座和五根不規則的剛性連桿通過活動關節連接而成，每個關節通過電機驅動。每個連桿的結構并不規則，其質心在桿件外部，活動關節連接兩個連桿的旋轉方向也不一致，其運行空間為X-Y-Z三維 (triaxial) 坐標系。考慮康復訓練的安全因素，每個關節的旋轉角度也有一定的限制。

在外骨骼式上肢康復機器人進行康復訓練的過程中，腕部兩個自由度活動范圍較小，對整個動力學模型影響也不大，所以在動力學建模過程中忽略腕部的兩個自由度。在仿真驗證時，為確保上肢的活動范圍與外骨骼康復器械運動相匹配，保證腕部兩個關節固定不變，同時，取肩部外展/內收和肩部屈/伸兩個自由度實現在三維空間中的活動，再加上肘部屈/伸，這樣人體上肢在動力學建模中就可以看作是一個具有三個自由度的兩個連桿。五自由度外骨骼式康復機器人變成了具有三個大范圍運動自由度的不規則外骨骼式康復器械。